浅谈有源电力滤波器设计

综述

随着大容量电力电子装置在高压交流电力系统中日益广泛的应用，谐波和无功等问题严重地威胁着系统自身的安全稳定运行。针对10~35kV高压交流电力系统，国内外目前主要采用无源电力滤波器来抑制谐波并补偿无功功率。无源电力滤波器具有诸多的缺陷，难以达到理想的性能。受功率半导体开关器件的约束，有源电力滤波器常规技术方案的应用在低压交流电力系统。提出一种基于基波磁通补偿的串联型有源电力滤波器新原理，通过电力电子变换器的控制，使串联变压器对基波呈现很小的一次侧漏阻抗，对谐波呈现很大的励磁阻抗。通过电力电子变换器的控制，变压器一次侧呈现连续无极可调的电抗。借鉴基波磁通补偿理论及磁通可控的可调电抗器原理，根据串并联的对偶特性，本文提出一种新型的基于阻抗可控的并联混合型有源电力滤波器。在电力电子变换器的控制下，变压器对谐波电流呈现近似为零的低阻抗，从而输导电力系统中的谐波电流，同时对基波电流呈现连续无极可调的电抗，与无源电力滤波器相结合，实时补偿系统的无功功率。通过变压器隔离降压，确保该滤波器安全、可靠、稳定地工作。

1 工作原理

1.1 变压器的结构

变压器的结构如图1所示。其一次侧AX与二次侧ax的匝数分别为W1、W2，变比k=W1/W2，一次侧与二次侧的互感为M。一次侧绕组的电阻为r1，自感为L11。变压器采用非晶态合金铁心，为了确保变压器工作在B-H曲线的线性区，铁心开有气隙。利用电压型逆变器向变压器二次侧绕组中注入补偿电流i2且满足 i2=-α*∑i1(n)-β*i1(1)

式中：α为谐波补偿系数；∑i1(n)为实时检测的变压器一次侧谐波电流；β为基波补偿系数；i1(1)

为实时检测的变压器一次侧基波电流。

1.2 谐波抑制原理

从AX端看，变压器n次谐波电压方程为Ù1(n)=（r1+jWnL11）/Ì1(n)+jWnMÌ2(n)

若α满足谐波补偿条件 α=L11/M

则从AX端看，变压器对谐波电流的等效阻抗为 ZAX(n)=Ù1(n)/Ì1(n)=r1

通常r1可忽略，因此，在满足谐波补偿条件时，变压器对谐波电流呈现近似为零的低阻抗。谐波等效电路如图2所示。

高压交流电力系统的系统阻抗相对较大，由于变压器在电力电子变换器的控制下能够对谐波电流呈现近似为零的低阻抗，因而对高压交流电力系统的谐波电流具有很好的抑制能力。

1.3 无功功率补偿原理

从AX端看，变压器基波电压方程为 Ù1(1)=（r1+jW1L11）/Ì1(1)+jW1MÌ2(1)

由于r1可忽略，从AX端看，变压器对基波电流的等效电抗为

XAX(1)=Ù1(1)/Ì1(1)=W1（L11-βM）

变压器对基波电流的等效电抗与基波补偿系数β的关系如图3所示。

由图3可见，通过实时调节基波补偿系数β的大小，可以使得变压器对基波电流呈现连续无极可调的电抗，与无源电力滤波器相结合，能够实时地补偿高压交流电力系统的无功功率。

2 实验电路结构

2.1 主电路结构

图4为基于阻抗可控的并联混合型有源电力滤波器的实验电路结构图。主电路中，US为系统电压，ZS为系统阻抗。T为线性变压器，与谐波源及无源电力滤波器相并联。Lf为逆变器输出电感，在变压器漏感较大的情况下，Lf可省去。为了确保逆变器对指令电流的实时跟踪，采用IGBT作为

功率半导体开关器件。Ud为逆变器直流母线电压。L与C为无源电力滤波器的电感与电容，无源电力滤波器主要功能为补偿容性无功电流，兼滤除部分谐波电流。谐波源为带阻感负载的二极管全桥不控整流器。

2.2 控制电路结构

控制电路包括指令电流运算和补偿电流控制2部分。指令电流运算单元实时检测变压器一次侧的电流，根据电力系统无功功率补偿的要求，得到变压器二次侧补偿电流的指令信号。补偿电流控制单元将指令电流信号与反馈电流信号相比较，其误差通过PI调节器，再与三角载波信号比较，得到PWM信号，驱动逆变器中的IGBT开关。提出一种指令电流运算方法如图5所示。

其中，i1（t）=∑Incos(nwt+ψn)，(low-pass filter,LPF)为低通滤波器，用于提取信号的直流分量，A msin(ωt+ψ)与A m cos(ωt+ψ)为控制电路产生的幅值实时调节、与电网同频率、相位任意的正余弦，ic*为补偿电流的指令信号。

一次侧电流与余弦信号相乘，得到i1（t）*A ∑In{cos[(n+1)wt+ψ+ψn]+cos[(n-1)wt+ψn-ψ]}

mcos(wt+ψ)= （A

m

／2）

经过LPF得到直流分量（A m／2）I1cos(ψ1-ψ)再与余弦信号相乘，得到i1p，

（Am2／2）I1cos(wt+ψ)cos(ψ1-ψ)= （Am2／4）I1[cos(wt+ψ1)+cos(wt+2ψ-ψ1)]

一次侧电流与正弦信号相乘，得到i1（t）*A ∑In{sin[(n+1)wt+ψ+ψn]-sin[(n-1)wt+ψn-ψ]}

msin(wt+ψ)= （A

m

／2）

经过LPF得到直流分量（-Am2／2）I1sin(ψ1-ψ)

再与正弦信号相乘，得到i1p，

（-Am2／2）I1sin(wt+ψ)sin(ψ1-ψ) = （Am2／4）I1[cos(wt+ψ1)-cos(wt+2ψ-ψ1)]

由式(8)与(10)可以得到指令电流ic*=-L11／M（i1- i1p，-i1q,）=-L11／M[(1-Am2／2) I1[cos(wt+ψ1)+∑In cos(nwt+ψn)]= -L11／M[∑i1(n)+(1- Am2／2) i1(n)]

比较式(1)、(3)与(11)可知，指令电流满足谐波补偿条件。通过实时调节正余弦信号的幅值Am，可实时改变基波补偿系数β的大小。Am与β的关系为Am=

2(1)

3 实验与结果分析

为了证明上述理论分析的正确性，根据图4所示的系统结构图，设计了一套实验装置。系统电压为110V，系统侧串联5mH的电感。变压器的变比为1：1，一次侧绕组的自感为92mH，一次侧绕组与二次侧绕组的互感为91.69mH，二次侧绕组的自感为92mH，谐波补偿系数α=1.0033。无源电力滤波器参数为L=14.11mH，C=240μF。半导体开关器件为SEMIKRON公司的NPN型IGBT SKM300GB123D。采用TDS2002型数字示波器记录了实验波形，并采用了2533E型交流数字功率计测量了各种工况下实验数据。实验分6种工况进行。

（1） 工况1。不加任何滤波器，此时系统电压电流的波形如图6所示。

（2）工况2。为了验证谐波抑制原理的正确性，只加有源电力滤波器，基波补偿系数β=0，此时系统电压电流的波形如图7所示。

（2） 工况3。只加无源电力滤波器，此时系统电压电流的波形如图8所示。

（4）工况4。同时加无源和有源电力滤波器，基波补偿系数β=0，此时系统电压电流的波形如图9(a)所示。

（5）工况5。同时加无源和有源电力滤波器，基波补偿系数β=0.51，此时系统电压电流的波形如图9(b)所示。

（6）工况6。为了更加明显地验证无功功率补偿原理的有效性，同时加无源和有源电力滤波器，将基波补偿系数β提高到0.75，此时系统电压电流的波形如图9(c)所示。对以上6种工况下的系统电流波形进行了傅里叶分析。6种工况下的系统电流总谐波畸变率和系统功率因数如表1所示。从以上分析可见，该滤波器不仅能够有效地抑制谐波，通过调节基波补偿系数，还能够补偿无功功率。实验结果与理论分析相一致。

表1 6种工况下系统功率因数及电流总谐波畸变率

此原理用于三相交流电力系统时，为了适用于负载不平衡等复杂的工况(如：27.5kV铁道牵引系统)，可采用3个的单相变压器和单相逆变器的电路结构；用于高压交流电力系统时，由于系统的容量很大，为了提高有源电力滤波器的容量，变压器需采用二次侧多补偿绕组的结构。

课程设计体会

通过本次的课程设计，我有了很大的收获。由于谐波对电网的影响使我们的一些实际运行的结果失真。通过本次的设计，我了解了作为一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，APF能对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行实时补偿。可以抑制高次谐波对电网及设备的影响。

通过本次的设计，我不仅巩固了书本上的知识，对其加深了解，更锻炼了我的动手能力。使我能够在进入社会之前有一次很好的锻炼机会。在将来踏出学园后不是一个只会纸上谈兵的大学生。做一个可以实战型的选手。让我对电力电子这门课程有了更大的兴趣，激发了我继续研究的兴趣。我会在接下来的专业课程学习中更加的努力学习，争取取得更大的收获。不断丰富自己的专业知识，武装自己的头脑。

在此我还要感谢那些在此次设计中给予我帮助的老师和同学，如果没有他们的帮助就不能顺利的完成此次设计。

参考文献

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